Page 125 - 无损检测2021年第四期
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郭伟玲, 等:

            工业 CT 成像技术在再制造典型缺陷研究中的应用与展望

                                                               变液态、 液态又变回固态的变化, 在这两个变化过程
            1  工业 CT 成像技术原理及主要性能
                                                               中, 基体表面和涂层材料都会产生不同程度的体积
               当 X 射线穿过被检测物体时, 会发生能量衰减                         收缩, 必然会受到周边晶粒的牵制和约束, 从而产生
            现象, 旋转被检测物体, 用探测器从不同角度采集衰                          拉应力; 当热应力或拉应力大于熔覆材料的抗形变
            减后的 X 射线信号, 将捕获的信息 输 入 计 算 机 系                     能力时, 就会产生裂纹。裂纹缺陷是激光熔覆增材
            统, 利用图像重建算法进行处理, 从而得到被检测物                          再制造过程中最主要的内部缺陷, 是对再制造零部
            体的二维或三维结构信息。工业 CT 的主要零部件                           件的质量和性能影响较大的一种缺陷, 是激光熔覆
            包括: 射线源、 辐射探测器与准直器、 数据采集系统、                        过程中应重点消除的缺陷类型。
            样品扫描机械系统、 计算机系统及辅助电源和辐射                           2.2  气孔形成机理
            安全系统等辅助系统等            [ 23-26 ] 。目前, 用于评价工业           在激光熔覆过程中, 当气体进入熔池或与金属
            CT 成像系统性能的主要参数包括: 检测试件的范                           表面氧化物发生还原反应生成气体时, 由于熔覆涂
            围、 射线源种类、 扫描模式、 检测时间、 空间分辨率、                       层的凝固过程会在极短时间内完成, 所以上述气体
            密度分辨率及伪像等。                                         来不及从熔融液体中逸出, 便会形成气孔。气孔缺
                 零部件再制造典型缺陷具有形貌复杂, 尺寸较                         陷是激光熔覆增材再制造过程中极易形成的内部缺
            小, 分布面积较广, 缺陷边界不规则、 不连续、 多分支                       陷, 严重影响再制造零部件的力学性能, 从而降低再
            的特点, 因此缺陷易被噪声所掩盖, 缺陷的位置难以                          制造零部件的使用寿命。
            检测, 缺陷的形成原因难以确定。当缺陷尺寸接近                           2.3  夹杂形成机理
            工业 CT 系统的检出限时, 在 CT 图像上就会表现                           基体表面和涂层材料所含的元素不同, 其所具
            出容积效应; 当缺陷表面与工业 CT 扫描平面不垂                          有的凝固点也不同, 在激光熔覆的过程中, 低熔点元
            直时, 工业 CT 图像中缺陷边缘有较宽的灰度过渡                          素先熔化, 高熔点元素后熔化, 且可能存在未完全熔
            区, 从而形成弱边缘; 以上两点都会增大缺陷检测的                          化的情况, 在后续冷凝过程中, 熔覆涂层中可能产生
            难度。针对再制造典型缺陷的上述特点, 研究人员                            夹杂; 在激光熔覆的冷却和凝固过程中, 高熔点元素
            通过在工业 CT 系统中引入新的图像计算模型, 或                          先凝固, 低熔点元素后凝固, 且低熔点元素会随着固
            通过改善工业 CT 检测工艺参数, 如切片厚度、 探测                        液界面的上升而移向上层, 因此熔覆涂层表层以低
            器单元的微动次数、 触发次数及图像矩阵等, 有效降                          熔点元素为主, 元素成分不均匀, 进而导致熔覆涂层
            低了再制造典型缺陷图像噪声和伪像, 提高了再制                            的组织中产生夹杂; 以上两种情况下产生的夹杂缺
            造典型缺陷图像显示的对比度, 增强了再制造典型                            陷都为裂纹缺陷的萌生提供了源头。
            缺陷细节特征分辨率。
                                                              3 工业 CT成像技术在典型缺陷检测中的应用
            2 激光熔覆增材再制造典型缺陷的形成机理
                                                              3.1  裂纹缺陷的检测与研究
               激光熔覆增材再制造技术是将涂层材料放置在                               零部件内部微观裂纹会随着零部件服役过程中
            待修复基体表面, 利用激光束对其进行加热, 使之与                          的载荷作用与变形而不断变化, 最终会发展为宏观
            基体表面同时熔化, 快速凝固后形成冶金结合的表                            裂纹, 并造成零部件的破坏, 甚至会导致灾难性事
            面涂层, 以达到改善基体表面性 能和修复的目的。                           故。因此, 检测零部件内部的裂纹缺陷及研究零部
            激光熔覆过程是一个快速成型的过程, 即在极短的                            件服役过程中内部裂纹缺陷的演变规律, 对保证零
            时间内发生快速熔化与快速凝固的过程, 因此在涂                            部件质量具有重要意义。目前, 国内外学者利用工
            层内部极易产生裂纹、 气孔、 夹杂等不良缺陷, 严重                         业 CT 成像技术从不同方向对内部裂纹缺陷的演变
            影响再制造零部件的质量和性能                [ 27-29 ] 。          规 律 及 扩 展 机 理 进 行 了 大 量 研 究。 BUFFIÈRE
            2.1  裂纹形成机理                                        等  [ 30-32 ] 早在 20 世纪 90 年代就开展了相关工作, 在
               激光熔覆是一个速热、 速冷的过程, 该过程会产                         欧 洲 同 步 辐 射 实 验 室 ( Euro p ean S y nchrotron


            生局部受热不均匀, 温度较高区域在冷却和凝固时                           RadiationFacilit y ESRF ) 借助 CT 设备对碳化硅颗
                                                                               ,
            会受到温度较低区域的约束, 从而产生 热应力; 同                          粒增强铝基复合材料的疲劳裂纹扩展行为进行了分
            时, 该过程中基体表面材料、 涂层材料都会经历固态                          析, 标出了微米级裂纹分布。通过图像重建得到了
                                                                                                         3
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